WO2001065619A2 - Membran-brennstoffzelle - Google Patents

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WO2001065619A2
WO2001065619A2 PCT/DE2001/000663 DE0100663W WO0165619A2 WO 2001065619 A2 WO2001065619 A2 WO 2001065619A2 DE 0100663 W DE0100663 W DE 0100663W WO 0165619 A2 WO0165619 A2 WO 0165619A2
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fuel cell
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fuel
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Karl Eck
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Atecs Mannesmann Ag
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell, with an anode part, the one
  • Fuel cells of the type mentioned have been known for a long time and have gained considerable importance in the automotive industry in particular in recent years.
  • Fuel cells are based on the principle that electrically neutral molecules or atoms combine with one another and thereby exchange electrons. This process is called the redox process.
  • the oxidation and reduction processes are spatially separated, which is usually done via a membrane. Such membranes have the property of exchanging protons but retaining gases.
  • the electrons released during the reduction can be conducted as electrical current through a consumer, for example an electrical machine such as the electric motor of an automobile.
  • Hydrogen as fuel and oxygen as oxidizing agent are used as gaseous reactants for the fuel cell, for example.
  • Fuel cells of the type described are generally operated with a static pressure on the anode and cathode side. These pressures must be kept as constant as possible in relation to each other, so that only a finite differential pressure can occur across the membrane. Any the differential pressure between the pressure on the If the cathode side and the anode side of the fuel cell exceed a certain maximum permissible differential pressure, this could damage the membrane. In the worst case, the membrane could burst or tear, so that the entire fuel cell would no longer be usable and, in addition, an ignitable mixture of anode and cathode gas would result.
  • the differential pressure between the cathode side and the anode side must therefore be kept as constant as possible over the entire operating period of the fuel cell, that is to say in particular also during the start-up and shutdown process of the fuel cell, in order to avoid such damage. So far, however, this has required a great deal of design and control engineering.
  • the present invention is based on the object of developing a fuel cell of the type mentioned at the outset in such a way that the disadvantages described above are avoided.
  • a fuel cell is to be provided in which the lowest possible and constant differential pressure across the membrane between the cathode side and the anode side can be achieved in any operating situation.
  • the configuration of the fuel cell according to the invention creates a control technology and constructionally simple possibility of keeping the differential pressure across the membrane that arises due to pressure differences on the cathode side and the anode side of the fuel cell as narrow as possible.
  • the basic idea of the present invention is to be seen in the fact that a pressure regulator is provided both in the discharge line for the fuel, that is to say on the anode side, and in the discharge line for the oxidizing agent, that is to say on the cathode side.
  • the pressure prevailing in the anode part or in the cathode part of the fuel cell is set via these pressure regulators.
  • the two pressure regulators are coupled to one another so that an exchange of the pressure values can take place between them.
  • the actual pressure value of one pressure regulator is expediently given to the other pressure regulator as the target pressure value.
  • One of the pressure regulators can advantageously be designed as a spring-loaded pressure regulator.
  • Such pressure regulators are already known and widely used in practice.
  • such a spring-loaded pressure regulator has a housing in which a control chamber is formed which is integrated into one of the discharge lines from the fuel cell via an inlet opening and an outlet opening. In this way, the gas stream leaving the fuel cell via the respective discharge line flows through the control chamber of the pressure regulator.
  • the control chamber is delimited on one side by a pressure compensation membrane, which is supported on the outside on a setpoint spring with which a pressure setpoint can be specified.
  • the setpoint spring is in turn connected to a closure element for the outlet opening, so that movements of the setpoint spring and the pressure compensation membrane are converted into corresponding movements of the closure element.
  • the outlet pressure and thus the pressure in that part of the fuel cell that is connected to the pressure regulator via the corresponding discharge line can be kept approximately constant as a function of the setting of the setpoint spring with changing gas throughput.
  • the pressure compensation membrane ensures high control accuracy.
  • one of the pressure regulators can be designed as a membrane-controlled pressure regulator.
  • a pressure regulator expediently has a housing in which a pressure chamber and a control chamber are formed, which are separated from one another by a pressure compensation membrane.
  • the control chamber has an inlet opening and an outlet opening via which it is integrated into one of the discharge lines from the fuel cell.
  • the pressure compensation membrane is connected to a closure element for the outlet opening.
  • the two pressure regulators are coupled to one another in such a way that the control chamber of the pressure regulator designed as a spring-loaded pressure regulator is connected to the pressure chamber of the pressure regulator designed as a diaphragm-controlled pressure regulator. This connection or coupling takes place via a corresponding coupling line.
  • the spring-loaded pressure regulator can advantageously be arranged in the discharge line for the fuel and the membrane-controlled pressure regulator in the discharge line for the oxidizing agent.
  • anode pressure is predetermined by the spring-loaded pressure regulator.
  • This specified anode pressure is (as setpoint pressure) via the coupling line also in the pressure chamber of the diaphragm-controlled pressure regulator.
  • the cathode pressure of the fuel cell is present in the control chamber of the membrane-controlled pressure regulator, i.e. on the other side of the pressure compensation membrane.
  • the corresponding coupling of the two pressure regulators ensures that the two pressures, namely the anode pressure and the cathode pressure, are kept the same in all operating states of the fuel cell.
  • the special arrangement of the two compressed gas regulators in the respective derivatives, as described above, is not absolutely necessary, so that other embodiments are also conceivable.
  • a fuel cell according to the invention as described above can be used particularly advantageously in or for a vehicle. Due to the rapid development of fuel cell technology in the vehicle sector, such use currently offers the greatest possible uses. However, other possible uses are also conceivable. These include, for example, fuel cells for mobile devices such as computers or the like up to stationary facilities such as power plants. Fuel cell technology is suitable here especially for the decentralized energy supply of houses, industrial plants or the like.
  • the present invention is preferably used in connection with fuel cells with polymer membranes (PEM). These fuel cells have a high electrical efficiency, cause only minimal emissions, have an optimal part-load behavior and are essentially free of mechanical wear.
  • PEM polymer membranes
  • Hydrogen is preferably used as fuel for the fuel cell. If you want to operate the fuel cell with a readily available or storable fuel such as methanol, gasoline, natural gas, methane, coal gas, biogas or another hydrocarbon, you have to start the respective hydrocarbon in an arrangement upstream of the fuel cell to generate / process a fuel Convert hydrogen-rich gas. Oxygen or air from the environment is preferably used as the oxidizing agent.
  • FIG. 1 shows a fuel cell 10 designed as a PEM fuel cell, which is used to operate an electric drive for a vehicle.
  • the fuel cell 10 has an anode part 11, which is connected to a feed line 12 and a discharge line 13 for a fuel - in the present case hydrogen.
  • the fuel cell 10 has a cathode part 14 which is connected to a feed line 15 and a discharge line 16 for an oxidizing agent - in the present case oxygen or air.
  • the anode part 11 and the cathode part 14 are separated from one another via a membrane 17 - in the present case a polymer membrane.
  • a pressure regulator 20 which is designed as a spring-loaded pressure regulator, is provided in the discharge line 13 for the fuel.
  • the pressure regulator 20 has a housing 21 in which a control chamber 22 is located.
  • the control chamber 22 has an inlet opening 23 and an outlet opening 24 and is via these into the discharge line
  • a closure element 27 is provided which is connected to a setpoint spring 26.
  • the control chamber 22 is on the side where the setpoint spring 26 is arranged by a pressure equalization membrane 25 delimits, while the other sides of the control chamber 22 are formed by corresponding walls of the housing 21.
  • the pressure regulator 30 has a
  • Housing 31 in which a pressure chamber 32 and a control chamber 33 are formed.
  • the pressure chamber 32 and the control chamber 32 are separated from one another via a pressure compensation membrane 36.
  • An inlet opening 34 and an outlet opening 35 are provided in the control chamber 33, via which the pressure regulator 30 or the control chamber 33 is integrated into the discharge line 16 for the oxidizing agent.
  • a closure element 37 is provided, which is connected to the pressure compensation membrane 36.
  • Both pressure regulators 20 and 30 are coupled to one another for the exchange of pressure values.
  • the coupling takes place via a corresponding coupling line 40, which connects the control chamber 22 of the pressure regulator 20 to the pressure chamber 32 of the pressure regulator 30.
  • the fuel cell 10 is advantageously operated with a static pressure on the anode side 11 and the cathode side 14. It is necessary that the differential pressure acting on the membrane 17 is kept as constant as possible and in a narrow range. A large or too strongly changing differential pressure would lead to the membrane 17 being damaged and, in the worst case, bursting or tearing.
  • Such a constant differential pressure can be set via the pressure regulators 20, 30 and their coupling.
  • Pressure regulator 20 rises because the anode part 11 is connected directly to the control chamber 22 of the pressure regulator 20 via the discharge line 13 for the fuel and the inlet opening 23.
  • An increasing pressure in the control chamber 22 causes the pressure compensation diaphragm 25 to be pressed in the direction of the setpoint spring 26, whereby the setpoint spring 26 is compressed.
  • Spring 26 causes the closure element 27 to be moved away from the outlet opening 24 of the control chamber 22, so that a larger amount of fuel exhaust gas is released the discharge line 13 can flow out of the anode part 11 and the pressure increase is partially counteracted.
  • the pressure in the control chamber 22 of the pressure regulator 20 is transmitted through the coupling line 40 directly as a target value into the pressure chamber 32 of the pressure regulator 30.
  • the pressure in the pressure chamber 32 of the pressure regulator 30 is thereby increased.
  • This pressure increase is noticeable in that the pressure compensation membrane 36 is pressed in the direction of the outlet opening 35 of the pressure regulator 30.
  • the closure element 37 connected to the pressure compensation membrane 36 becomes in the direction of the outlet opening
  • the two pressure regulators 20, 30 are operated in an analogous manner in reverse, so that even in such a case there is always a narrowly limited differential pressure between the cathode part 14 and the anode part 11.
  • the pressure regulator 20 reduces the passage gap at the outlet opening 24 and thus counteracts the pressure drop, while the pressure regulator 30 further opens the outlet opening 35 due to the reduction in the pressure in the pressure chamber 32 and thus reduces the pressure in the cathode part 14.
  • control chamber 23 inlet opening
  • closure element 30 pressure regulator (membrane controlled)

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Abstract

Es wird eine Brennstoffzelle beschrieben, mit einem Anodenteil (11), der eine Zuleitung und eine Ableitung für einen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, aufweist, einem Kathodenteil (14), der eine Zuleitung und eine Ableitung für ein Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff, aufweist und einer zwischen dem Anodenteil und dem Kathodenteil befindlichen Membran (17). Um zu erreichen, dass zu jedem Betriebszeitpunkt in der Brennstoffzelle nur ein begrenzter Differenzdruck zwischen dem Anodenteil und dem Kathodenteil über der Membran herrscht, ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass in der Ableitung für den Brennstoff ein federbelasteter Druckregler (20) und in der Ableitung für das Oxidationsmittel ein membrangesteuerter Druckregler (30) angeordnet ist. Die beiden Druckregler sind miteinander gekoppelt. Dies erfolgt vorteilhaft dadurch, dass eine Regelkammer des Druckreglers mit einer Druckkammer des Druckreglers über eine Kopplungsleitung (40) verbunden ist. Auf diese Weise können die Drücke im Anodenteil und im Kathodenteil in allen Betriebszuständen der Brennstoffzelle gleich gehalten werden.

Description

Brennstoffzelle
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, mit einem Anodenteil, der eine
Zuleitung und eine Ableitung für einen Brennstoff aufweist, einem Kathodenteil, der eine Zuleitung und eine Ableitung für ein Oxidationsmittel aufweist und einer zwischen dem Anodenteil und dem Kathodenteil befindlichen Membran.
Brennstoffzellen der genannten Art sind bereits seit langem bekannt und haben insbesondere im Bereich der Automobilindustrie in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen.
Ähnlich wie Batteriesysteme erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie auf chemischem Wege, wobei die einzelnen Reaktanten kontinuierlich zugeführt und die
Reaktionsprodukte kontinuierlich abgeführt werden. Dabei basieren Brennstoffzellen auf dem Prinzip, daß sich elektrisch neutrale Moleküle oder Atome miteinander verbinden und dabei Elektronen austauschen. Dieser Vorgang wird als Redoxprozeß bezeichnet. Bei der Brennstoffzelle werden die Oxidations- und Reduktionsprozesse räumlich getrennt, was in der Regel über eine Membran erfolgt. Solche Membranen haben die Eigenschaft, Protonen auszutauschen, Gase jedoch zurückzuhalten. Die bei der Reduktion abgegebenen Elektronen lassen sich als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten, beispielsweise eine elektrische Maschine wie den Elektromotor eines Automobils.
Als gasförmige Reaktionspartner für die Brennstoffzelle werden beispielsweise Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet.
Brennstoffzellen der beschriebenen Art, insbesondere Brennstoffzellen mit Polymer- membranen, werden in der Regel mit einem statischen Druck auf der Anoden- und der Kathodenseite betrieben. Dabei müssen diese Drücke im Verhältnis zueinander möglichst konstant gehalten werden, so daß über der Membran nur ein endlicher Differenzdruck auftreten kann. Würde der Differenzdruck zwischen dem Druck auf der Kathodenseite und der Anodenseite der Brennstoffzelle einen bestimmten maximal zulässigen Differenzdruck überschreiten, könnte dies zu einer Beschädigung der Membran führen. Im schlimmsten Fall könnte die Membran platzen oder reißen, so daß die gesamte Brennstoffzelle nicht mehr zu gebrauchen wäre und darüber hinaus ein zündfähiges Gemisch aus Anoden- und Kathodengas entstehen würde.
Der Differenzdruck zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite muß deshalb über den gesamten Betriebszeitraum, der Brennstoffzelle, das heißt insbesondere auch während des Anfahr- und Abschaltvorgangs der Brennstoffzelle, möglichst konstant gehalten werden, um solche Beschädigungen zu vermeiden. Dies erfordert bisher jedoch einen hohen konstruktiven und regelungstechnischen Aufwand.
Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle der eingangs genannten Art derart weiterzu- bilden, daß die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll eine Brennstoffzelle bereitgestellt werden, bei der in jeder Betriebssituation ein möglichst geringer und konstanter Differenzdruck über der Membran zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Weiterbildung der eingangs beschriebenen Brennstoffzelle gelöst, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß in der Ableitung für den Brennstoff und in der Ableitung für das Oxidationsmittel jeweils ein Druckregler vorgesehen ist und daß die Druckregler hinsichtlich des einzustellenden Drucks miteinander gekoppelt sind. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungs- gemäßen Brennstoffzelle ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennstoffzelle wird eine regelungstechnisch und konstruktiv einfache Möglichkeit geschaffen, den auftretenden Differenzdruck über der Membran, der sich auf Grund von Druckunterschieden auf der Kathodenseite und der Anodenseite der Brennstoffzelle ergibt, in einem möglichst engen Bereich zu halten.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß sowohl in der Ableitung für den Brennstoff, das heißt auf der Anodenseite, als auch in der Ableitung für das Oxidationsmittel, das heißt auf der Kathodenseite, ein Druckregler vorgesehen ist. Über diese Druckregler wird der im Anodenteil bzw. im Kathodenteil der Brennstoffzelle herrschende Druck eingestellt. Um den Differenzdruck zwischen dem Anodenteil und dem Kathodenteil während des gesamten Betriebszeitraums und bei verschie- denen Betriebszuständen der Brennstoffzelle möglichst konstant und in einem engen Bereich halten zu können, sind die beiden Druckregler miteinander gekoppelt, so daß zwischen diesen ein Austausch der Druckwerte stattfinden kann. Zweckmäßig wird der Ist-Druckwert des einen Druckreglers als Soll-Druckwert an den anderen Druckregler gegeben.
Vorteilhafte Ausführungsformen für die Druckregler sowie die Funktionsweise einer derart ausgebildeten Brennstoffzelle werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.
Vorteilhaft kann einer der Druckregler als federbelasteter Druckregler ausgebildet sein. Derartige Druckregler sind bereits bekannt und in der Praxis weit verbreitet.
In einer zweckmäßigen Ausbildungsform weist ein solcher federbelasteter Druckregler ein Gehäuse auf, in dem eine Regelkammer ausgebildet ist, die über eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung in eine der Ableitungen aus der Brennstoffzelle eingebunden ist. Auf diese Weise durchströmt der die Brennstoffzelle über die jeweilige Ableitung verlassende Gasstrom die Regelkammer des Druckreglers. Die Regelkammer ist auf einer Seite von einer Druckausgleichsmembran begrenzt, die sich an ihrer Außenseite auf einer Sollwert-Feder abstützt, mit der ein Drucksollwert vorgebbar ist. Die Sollwert-Feder wiederum ist mit einem Verschlußelement für die Austrittsöffnung verbunden, so daß Bewegungen der Sollwert-Feder und der Druckausgleichsmembran in entsprechende Bewegungen des Verschlußelementes umgesetzt werden.
Durch einen solchen Druckregler kann der Ausgangsdruck und damit der Druck in demjenigen Teilbereich der Brennstoffzelle, der über die entsprechende Ableitung mit dem Druckregler verbunden ist, in Abhängigkeit von der Einstellung der Sollwert-Feder bei wechselndem Gasdurchsatz annähernd konstant gehalten werden. Dabei bewirkt die Druckausgleichsmembran eine hohe Regelgenauigkeit.
In weiterer Ausgestaltung kann einer der Druckregler als membrangesteuerter Druckregler ausgebildet sein. Ein solcher Druckregier weist zweckmäßig ein Gehäuse auf, in dem eine Druckkammer und eine Regelkammer ausgebildet sind, die über eine Druck- ausgleichsmembran voneinander getrennt sind. Die Regelkammer weist eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung auf, über die sie in eine der Ableitungen aus der Brennstoffzelle eingebunden ist. Die Druckausgleichsmembran ist mit einem Verschlußelement für die Austrittsöffnung verbunden. Bei einem solchen membrange- steuerten Druckregler wird die Funktion der im Hinblick auf den federbelasteten Druckregler beschriebenen Sollwert-Feder von der Druckkammer übernommen, wie dies im Rahmen der Figurenbeschreibung noch näher erläutert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Druckregler derart miteinander gekoppelt, daß die Regelkammer des als federbelasteter Druckregler ausgebildeten Druckreglers mit der Druckkammer des als membrangesteuerter Druckregler ausgebildeten Druckreglers verbunden ist. Diese Verbindung bzw. Kopplung erfolgt über eine entsprechende Kopplungsleitung.
Vorteilhaft kann der federbelastete Druckregler in der Ableitung für den Brennstoff und der membrangesteuerte Druckregler in der Ableitung des Oxidationsmittels angeordnet sein.
Durch die wie vorstehend beschriebene Kopplung der beiden Druckregler sowie deren
Anordnung in den jeweiligen Ableitungen aus der Brennstoffzelle wird erreicht, daß durch den federbelasteten Druckregler der Anodendruck vorgegeben wird. Dieser vorgegebene Anodendruck liegt (als Solldruck) über die Kopplungsleitung ebenfalls in der Druckkammer des membrangesteuerten Druckreglers an. In der Regelkammer des membrangesteuerten Druckreglers, das heißt auf der anderen Seite der Druckausgleichsmembran, liegt der Kathodendruck der Brennstoffzelle an. Durch die entsprechende Kopplung der beiden Druckregler wird erreicht, daß die beiden Drücke, nämlich der Anodendruck und der Kathodendruck, in allen Betriebszuständen der Brennstoffzelle gleich gehalten werden.
Die wie vorstehend beschriebene spezielle Anordnung der beiden Druckgasregler in den jeweiligen Ableitungen ist jedoch nicht zwingend notwendig, so daß auch andere Ausführungsformen denkbar sind. So ist es beispielsweise möglich, den federbelasteten Druckgasregler in der Ableitung für das Oxidationsmittel vorzusehen, während der membrangesteuerte Druckregler in der Ableitung für den Brennstoff angeordnet ist.
Besonders vorteilhaft kann eine wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Brennstoffzelle in einem oder für ein Fahrzeug verwendet werden. Auf Grund der rasanten Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie im Fahrzeugsektor bietet eine solche Verwendung zur Zeit die größten Einsatzmöglichkeiten. Dennoch sind auch andere Einsatzmöglichkeiten denkbar. Zu nennen sind hierbei beispielsweise Brennstoffzellen für mobile Geräte wie Computer oder dergleichen bis hin zu stationären Einrichtungen wie Kraftwerksanlagen. Hier eignet sich die Brennstoffzellentechnik besonders für die dezentrale Energieversorgung von Häusern, Industrieanlagen oder dergleichen.
In bevorzugter Weise wird die vorliegende Erfindung in Verbindung mit Brennstoff- zellen mit Polymermembranen (PEM) verwendet. Diese Brennstoffzellen haben einen hohen elektrischen Wirkungsgrad, verursachen nur minimale Emissionen, weisen ein optimales Teillastverhalten auf und sind im wesentlichen frei von mechanischem Verschleiß.
Vorzugsweise wird für die Brennstoffzelle Wasserstoff als Brennstoff verwendet. Will man die Brennstoffzelle mit einem leicht verfügbarem oder zu speichernden Brennstoff wie Methanol, Benzin, Erdgas, Methan, Kohlegas, Biogas oder einem anderen Kohlenwasserstoff betreiben, muß man den jeweiligen Kohlenwasserstoff in einer der Brennstoffzelle vorgeschalteten Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Brennstoffs zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln. Als Oxidationsmittel wird vorzugsweise Sauerstoff oder Luft aus der Umgebung verwendet.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur in schematischer Ansicht eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle.
In Figur 1 ist eine als PEM-Brennstoffzelle ausgebildete Brennstoffzelle 10 dargestellt, die zum Betrieb eines elektrischen Antriebs für ein Fahrzeug verwendet wird. Die Brennstoffzelle 10 weist einen Anodenteil 1 1 auf, der mit einer Zuleitung 12 sowie einer Ableitung 13 für einen Brennstoff - im vorliegenden Fall Wasserstoff - verbunden ist. Weiterhin verfügt die Brennstoffzelle 10 über einen Kathodenteil 14, der mit einer Zuleitung 15 und einer Ableitung 16 für ein Oxidationsmittel - im vorliegenden Fall Sauerstoff oder Luft - verbunden ist. Der Anodenteil 1 1 und der Kathodenteil 14 sind über eine Membran 17 - im vorliegenden Fall eine Polymermembran - vonein- ander getrennt.
In der Ableitung 13 für den Brennstoff ist ein Druckregler 20 vorgesehen, der als federbelasteter Druckregler ausgebildet ist. Der Druckregler 20 weist ein Gehäuse 21 auf, in dem sich eine Regelkammer 22 befindet. Die Regelkammer 22 verfügt über eine Eintrittsöffnung 23 und eine Austrittsöffnung 24 und ist über diese in die Ableitung
13 für den Brennstoff eingebunden. Zum Verschließen der Austrittsöffnung 24 ist ein Verschlußelement 27 vorgesehen, das mit einer Sollwert-Feder 26 verbunden ist. Die Regelkammer 22 wird an der Seite, wo die Sollwert-Feder 26 angeordnet ist, durch eine Druckausgleichsmembran 25 begrenzt, während die anderen Seiten der Regelkammer 22 von entsprechenden Wänden des Gehäuses 21 gebildet werden.
In der Ableitung 16 für das Oxidationsmittel ist ein Druckregler 30 vorgesehen, der als membrangesteuerter Druckregler ausgebildet ist. Der Druckregler 30 weist ein
Gehäuse 31 auf, in dem eine Druckkammer 32 und eine Regelkammer 33 ausgebildet sind. Die Druckkammer 32 und die Regelkammer 32 sind über eine Druckausgleichsmembran 36 voneinander getrennt. In der Regelkammer 33 ist eine Eintrittsöffnung 34 und eine Austrittsöffnung 35 vorgesehen, über die der Druckregler 30 bzw. die Regel- kammer 33 in die Ableitung 16 für das Oxidationsmittel eingebunden ist. Zum Verschließen der Austrittsöffnung 35 ist ein Verschlußelement 37 vorgesehen, das mit der Druckausgieichsmembran 36 verbunden ist.
Beide Druckregler 20 und 30 sind zum Austausch von Druckwerten miteinander gekoppelt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt die Kopplung über eine entsprechende Kopplungsleitung 40, die die Regelkammer 22 des Druckreglers 20 mit der Druckkammer 32 des Druckreglers 30 verbindet.
Nachfolgend wird nun die Funktionsweise der Brennstoffzelle 10 beschrieben. Wie in der Beschreibungseinleitung weiter oben bereits erwähnt wurde, wird die Brennstoffzelle 10 vorteilhaft mit einem statischen Druck auf der Anodenseite 11 und der Kathodenseite 14 betrieben. Dabei ist es erforderlich, daß der Differenzdruck, der auf die Membran 17 wirkt, möglichst konstant und in einem engen Bereich gehalten wird. Ein großer oder sich zu stark ändernder Differenzdruck würde nämlich dazu führen, daß die Membran 17 beschädigt wird und im schlimmsten Fall platzt oder reißt . Die
Einstellung eines solchen konstanten Differenzdrucks läßt sich über die Druckregler 20, 30 sowie deren Kopplung realisieren.
Wenn beispielsweise der Druck im Anodenteil 1 1 der Brennstoffzelle 10 ansteigt, wird dieser Druckanstieg dazu führen, daß auch der Druck in der Regelkammer 22 des
Druckreglers 20 ansteigt, weil der Anodenteil 1 1 über die Ableitung 13 für den Brennstoff und die Eintrittsöffnung 23 direkt mit der Regelkammer 22 des Druckreglers 20 verbunden ist. Ein ansteigender Druck in der Regelkammer 22 bewirkt, daß die Druckausgieichsmembran 25 in Richtung der Sollwert-Feder 26 gedrückt wird, wodurch die Sollwert-Feder 26 zusammengedrückt wird. Die sich zusammendrückende Sollwert-
Feder 26 bewirkt, daß das Verschlußelement 27 von der Austrittsöffnung 24 der Regelkammer 22 wegbewegt wird, so daß eine größere Menge Brennstoff-Abgas über die Ableitung 13 aus dem Anodenteil 1 1 abströmen kann und der Druckerhöhung teilweise entgegen gewirkt wird.
Der Druck in der Regelkammer 22 des Druckreglers 20 wird durch die Kopplungs- leitung 40 unmittelbar als Sollwert in die Druckkammer 32 des Druckreglers 30 übertragen. Bei steigender Menge an austretendem Brennstoff wird dadurch der Druck in der Druckkammer 32 des Druckreglers 30 erhöht. Diese Druckerhöhung macht sich dadurch bemerkbar, daß die Druckausgleichsmembran 36 in Richtung der Austrittsöffnung 35 des Druckreglers 30 gedrückt wird. Dadurch wird das mit der Druckaus- gleichsmembran 36 verbundene Verschlußelement 37 in Richtung der Austrittsöffnung
35 gedrückt, so daß weniger Oxidationsmittel über die Ableitung 16 abströmen kann. Das in dem Kathodenteil 14 verbleibende Oxidationsmittel führt dadurch zu einer Druckerhöhung im Kathodenteil 14, der dem ansteigenden Druck im Anodenteil 1 1 entgegenwirkt, so daß der Differenzdruck zwischen dem Kathodenteil 14 und dem Anodenteil 1 1 insgesamt sehr gering ist und konstant bleibt.
Auf diese Weise wird also der Differenzdruck über der Membran 17 innerhalb der Brennstoffzelle in einem eng begrenzten Bereich gehalten, so daß eine Beschädigung der Membran 17 verhindert wird.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise die entsprechende Kopplung der beiden Druckregler 20, 30 über die Kopplungsleitung 40 macht es möglich, daß ein Austausch zwischen den beiden Druckreglern 20, 30 in beiden Richtungen stattfinden kann. Dies ist in Figur 1 durch den Pfeil P dargestellt.
Wenn beispielsweise der Druck im Anodenteil 1 1 der Brennstoffzelle 10 abfällt, werden die beiden Druckregler 20, 30 in analoger Weise umgekehrt betrieben, so daß auch in einem solchen Fall immer ein eng begrenzter Differenzdruck zwischen dem Kathodenteil 14 und dem Anodenteil 1 1 vorherrscht. Der Druckregler 20 verkleinert den Durch- trittsspalt an der Austrittsöffnung 24 und wirkt somit dem Druckabfall entgegen, während der Druckregler 30 wegen der Verminderung des Drucks in der Druckkammer 32 die Austrittsöffnung 35 weiter öffnet und so den Druck im Kathodenteil 14 reduziert. Bezuqszeichenliste
10 = Brennstoffzelle 1 1 = Anodenteil
12 = Zuleitung Brennstoff
13 = Ableitung Brennstoff
14 = Kathodenteil
15 = Zuleitung Oxidationsmittel 16 = Ableitung Oxidationsmittel
17 = Membran
20 = Druckregler (federbelastet)
21 = Gehäuse
22 = Regelkammer 23 = Eintrittsöffnung
24 = Austrittsöffnung
25 = Druckausgleichsmembran
26 = Sollwert-Feder
27 = Verschlußelement 30 = Druckregler (membrangesteuert)
31 = Gehäuse
32 = Druckkammer
33 = Regelkammer
34 = Eintrittsöffnung 35 = Austrittsöffnung
36 = Druckausgleichsmembran
37 = Verschlußelement 40 = Kopplungsleitung
P = Strömungsrichtung zwischen den beiden Druckreglern

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzelle, mit einem Anodenteil (11 ), der eine Zuleitung (12) und eine
Ableitung (13) für einen Brennstoff aufweist, einem Kathodenteil (14), der eine Zuleitung (15) und eine Ableitung (16) für ein Oxidationsmittel aufweist und einer zwischen dem Anodenteil (1 1 ) und dem Kathodenteil (14) befindlichen Membran (17), dadurch gekennzeichnet, daß in der Ableitung (13) für den Brennstoff und in der Ableitung (16) für das Oxidationsmittel jeweils ein Druckregler (20, 30) vorgesehen ist und daß die Druckregler (20, 30) in der Weise miteinander gekoppelt sind, daß ein Austausch der Druckwerte zwischen den Druckreglern (20, 30) stattfindet.
2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß einer der Druckregler (20) als federbelasteter Druckregler ausgebildet ist.
3. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckregler (20) ein Gehäuse (21 ) aufweist, in dem eine Regeikammer (22) ausgebildet ist, die über eine Eintrittsöffnung (23) und eine Austrittsöffnung (24) in eine der Ableitungen (13; 16) eingebunden ist daß die Regelkammer (22) auf einer Seite von einer Druckausgleichsmembran (25) begrenzt ist, die sich an ihrer Außenseite auf einer Sollwert-Feder (26) abstützt, mit der ein Drucksollwert vorgebbar ist, und daß die Sollwert-Feder (26) mit einem Verschlußeiement (27) für die Austrittsöffnung (24) verbunden ist.
4. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Druckregler (30) als membrangesteuerter Druckregler ausgebildet ist.
5. Brennstoffzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckregler (30) ein Gehäuse (31 ) aufweist, in dem eine Druckkammer (32) und eine Regelkammer (33) ausgebildet sind, die über eine Druckausgleichsmembran (36) voneinander getrennt sind, daß die Regelkammer (33) über eine Eintrittsöffnung (34) und eine Austrittsöffnung (35) in eine der Ableitungen (13; 16) eingebunden ist und daß die Druckausgleichsmembran (36) mit einem Verschlußelement (37) für die Austrittsöffnung (35) verbunden ist.
6. Brennstoffzelle nach den Ansprüchen 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Druckregier (20, 30) derart miteinander gekoppelt sind, daß die Regelkammer (22) des als federbelasteter Druckregler ausgebildeten Druck- reglers (20) mit der Druckkammer (32) des als membrangesteuerter Druckregler ausgebildeten Druckreglers (30) über eine Kopplungsleitung (40) verbunden ist.
7. Brennstoffzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ableitung (13) für den Brennstoff der federbelastete Druckregler (20) und in der Ableitung (16) für das Oxidationsmittel der membrangesteuerte Druckregler (30) angeordnet ist oder umgekehrt.
8. Verwendung einer Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem oder für ein Fahrzeug.
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